نجوم و اخترفیزیک 24 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 24

محقق : سعید یاراحمدی

موضوع تحقیق : نجوم و اخترفیزیک

دبیر : آقای فرشید فر

کلاس : دوم ریاضی (201)

دبیرستان : نمونه خوارزمی

آشنایی با کیهان شناسی

کیهانشناسی علم بررسی تاریخ کیهان به عنوان یک کل است و هم ساختار و هم تکامل آن را بررسی می کند. در کیهانشناسی فرض می شود که در فاصله های بسیار زیاد، کیهان از هر مکانی که به آن نگاه شود یک شکل و متقارن به نظر می رسد، و در هر جهتی که به آن نگاه شود هم به یک شکل می باشد ( به بیان ریاضی تر، کیهان ایزوتروپیک است.) این فرضیات، اصول کیهانشناسی نامیده شده اند

جست‌وجوی اجرامی شگفت انگیزتر از سیاهچاله‌ها

دانشمندان وجود دسته‌ای جدید از سیاهچاله‌ها را پیش بینی کرده‌اند که به دلیل سرعت بسیار زیاد چرخش به دور خود افق رویداد ندارند.

به گزارش سرویس علمی خبرگزاری دانشجویان ایران(ایسنا)، سیاهچاله‌ها هم پیش از این در دسته اجرامی بسیار ناشناخته و رازآمیز قرار داشتند. تصوری که از این اجرام وجود دارد، این گونه است که جسمی بسیار کوچک جرمی معادل جرم چندین خورشید را در نقطه‌ای فشرده کرده است.

اما موضوع این خبر کشف جرمی شگفت انگیزتر از سیاهچاله‌ها است.

نظریه «تکینگی بدون پوشش» (naked singularity) حاکی از آن است که سیاهچاله آنقدر سریع به دور خود می‌گردد که در نهایت با فقدان افق رویداد مواجه می‌شود.

سیاهچاله‌ها زمانی شکل می‌گیرند که ماده‌ ستاره‌ای بزرگ بر روی خود فرو بریزد و در این حین، فشار لازم به طرف خارج برای خنثی کردن نیروی گرانشی که به طرف داخل وارد می‌شود، وجود نداشته باشد. از این رو فشار گرانش به سایر نیروهای داخلی غلبه می‌کند و سیاهچاله تا بینهایت در خود فرو می‌ریزد.

در این صورت نیروی گرانشی به قدری زیاد می‌شود که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن بگریزد. در نهایت سیاهچاله در پوششی تاریک از خودش احاطه می‌شود که ما آن را افق رویداد می‌نامیم. اجرام و تابش‌ها هنگام رد شدن از افق رویداد ناگزیر به سمت سیاهچاله کشیده می‌شوند. به همین دلیل ما آن ها را نمی‌بینیم و سیاه می‌نامیم.

به نوشته نجوم، تمام سیاهچاله‌های کشف شده تا‌کنون، دارای چرخش به دور خود بوده‌اند. گاهی آنقدر زیاد که به بیش از هزار دور در ثانیه می‌رسید؛ اما در این نظریه جدید، اگر سیاهچاله‌ای را بیابید که سرعت گردش به دور خودش بسیار زیاد باشد، در آن صورت مقدار حرکت زاویه‌یی چرخشش بر نیروی گرانش حاصل از جرمش غلبه می‌کند و می تواند افق رویداد را کاهش دهد و یا از بین ببرد و سیاهچاله را بدون پوشش کند؛ اما سیاهچاله‌ای با 10 برابر جرم خورشید، به سرعت چرخشی بیش از چند هزار دور بر ثانیه نیاز دارد.

مطابق با نتایج تحقیقات دانشگاه‌های «دوک»(Duke) و «کمبریج»(Cambridge)، جرمی با چنین مشخصاتی را می‌توان در لنزهای گرانشی کشف کرد.

به گزارش ایسنا، لنز گرانشی قسمتی از فضا است که در آن جسمی با جرم زیاد مانند سیاهچاله وجود دارد و با توجه به نیروی گرانشی که دارد مانند یک عدسی طبیعی عمل می‌کند و نورهای رسیده از فواصل دور را خمیده و در نهایت کانونی می‌کند.

اگر نتایج این تحقیقات درست باشد، اخترشناسان می‌توانند چنین اجرامی را که در نظریه جدید پیش بینی شده ثبت و شناسایی کنند.

پیچنده فضایی (1)

تصور کنید اگر راندن در یک جاده کوهستانی برای شخصی مثلاً هشت ساعت طول بکشد، شاید یافتن یک تونل در آنجا، زمان لازم برای پیمودن این مسیر را به ده دقیقه کاهش دهد. پس اگر کسی با دوستانش قرار بگذارد که این مسیر را برود و سپس به آنها اطلاع دهد که به مقصد رسیده و آنها هم از داستان آن تونل فرضی آگاهی نداشته باشند، شاید بتواند برای دوستانش چنین وانمود کند که راه هشت ساعته را چنان تند پیموده که ده دقیقه ای رسیده!

اما مگر میشود که در هر شرایطی فاصله فیزیکی را چنان کوتاه کرد که زودتر به مقصد برسیم؟ مگر میشود در هر شرایطی میانبر پیدا کرد؟ پاسخ دانش فیزیک به این پرسش آری است.

برای شکافتن بهتر موضوع بهتر است کمی درباره نیروی گرانش (جاذبه) بگوییم. در افسانه ها میگویند که نیوتن با افتادن سیبی به سرش قانون گرانش را کشف کرد. او فکر کرد که چرا سیب بالا نمیرود و پایین میاید؟ او پی برد که اگر هر جسمی را با سرعت به اندازه کافی به هوا پرتاب کنیم، با شتاب ثابتی و در یک مسیر راست به زمین برمیگردد. پس میتوان گفت که کشش زمین و جسم دلیل این رویداد است. از آن پس دانش فیزیک پیشرفت کرد و دانشمندان فهمیدند که حرکت سیارات به دور خورشید هم از همین گونه است. گرچه به خاطر جرم زیاد سیارات و خورشید و مسافت زیاد میان آنها، خورشید نمیتواند آنها را در یک مسیر راست به سوی خود بکشد و آنها روی خورشید نمی افتند. پس با اینکه گرانش همان گرانش است و نیروی تازه ای در کار نیست، اما در اینجا کمی پیچیده تر خود را نشان میدهد و اثر گذاری آن از حرکت ساده و سقوط راست اجسام بر روی زمین، به حرکت پیچیده و چرخشی سیارات گرد خورشید با سرعتها و دوره های تناوب و ... متفاوت تبدیل شده. پس میتوان اینگونه نتیجه گیری کرد که در شرایط پیچیده تر، گرانش میتواند اثر گذاریهای پیچیده تری را به بار دهد.

در اینجای داستان لازم است نگاه خود را از دستاورد نیوتن به دستاورد انیشتین تغییر دهیم. نظریه نسبیت عام انیشتین گرانش نیوتن را کامل کرد و یک برداشت متفاوت از آنرا به دست داد. نظریه انیشتین گفت که هنگام سخن از نیروی گرانش، چیزی چیزی را به سوی خود نمیکشد، بلکه جرم ها فضا را به گونه ای خم میکنند که حرکت اجسام ناشی از نیروی گرانش (آن گونه که ما می بینیم) در واقع سقوط آزاد آنها در یک فضای خمیده است. پس زمین سیب را به سوی خود نمیکشد، بلکه نیروی گرانش کره زمین فضای پیرامون این سیاره را جوری خم کرده که هر جسمی بسته به ویژگی هایش (جرم، سرعت، ...) در این فضای خمیده حرکت میکند. خورشید هم طوری فضای منظومه شمسی را خم کرده که هر سیاره ناگزیر باید گرد آن بچرخد. برای تجسم بهتر به سوراخ چاه حمام نگاه کنید که چطور آب و کفها را به سوی خودش میکشد، طوری که اگر هر چیزی همراه آنها باشد (مثلاً یک سوسک!) به گرد سوراخ چاه میچرخد و میچرخد و سرانجام به درون سوراخ میریزد. خورشید نیز چنین میکند، اما خوشبختانه سیارات به این زودیها به آن نزدیک نمیشوند و تنها پس از میلیاردها سال است که ما هم مانند کفهای درون حمام به درون خورشید کشیده میشویم.

به هر حال، میخواستم این را بگویم که نیروی گرانش میتواند حرکتهای پیچیده ای را نتیجه دهد، حرکت راست و حرکت چرخشی. همه چیز به سیستم مورد مطالعه بستگی دارد؛ اینکه جرمها چه اندازه اند و چه ویژگیهایی دارند (سرعت، شتاب، اندازه حرکت، اندازه حرکت زاویه ای، ...) و چه مسافتی از هم دارند و مانند اینها. بر پایه نسبیت عام انیشتین، هر چه سیستم مورد مطالعه پیچیده تر باشد، میتواند فضای پیرامونش را پیچیده تر خم کند. اما آیا میتوان طوری پیچیدگی را بالا برد که خمیدگی فضای اطراف به کم شدن فاصله میان دو مکان بیانجامد؟ در مثال جاده کوهستانی با زدن تونل از دل کوه، میشد که بگوییم مسیر (بهتر بگوییم: مسیر موثر و نه مسیر واقعی) را کوتاه کرده ایم؛ انگار که جاده کوهستانی جوری خم شده که آغاز و پایانش همان آغاز و پایان تونل شده است. پس برای زودتر رسیدن باید مسیر دلخواه را طوری خم کنیم که ابتدا و انتهایش در یک مسیر فشرده شده و کوتاه شده قرار بگیرد. اگر بتوانیم تا این اندازه پیچیده کار کنیم و فضا را خمیده در بیاوریم، خواهیم توانست مسیر را کوتاه کنیم و سرعت موثر پیمودن در آنرا افزایش دهیم.

معادلات نسبیت عام انیشتین میگویند که چنین کاری شدنی است و اگر شما مسیر مورد نظر و ویژگی های خمش آنرا به معادلات بدهید، معادلات به شما ویژگی های آن سامانه از جرمها را میدهند.

دانشمندان سالها روی این موضوع کار کرده اند و به پاسخ هایی از معادلات میدان گرانش نسبیت عام دست یافته اند که میتوانند کوتاه کردن مسیر را برای ما به بار دهند.

دو دسته از پاسخها که بیشترین کار روی آنها انجام پذیرفته، متریکهای کرمچاله گذرپذیر و حامل پیچشی میباشند. در مدل یک کرمچاله گذرپذیر استاتیک و کروی-متقارن، میتوان با گذر از گلوگاه کرمچاله، از یک دهانه در یک فضای مجانبی-تخت، به یک فضای مجانبی-تخت دیگر رفت که در فاصله ی به اندازه بسنده دوری قرار دارد. اینگونه که بر میاید، محدودیتی در برد این سامانه نیست! پس هر دو جا در یک جهان یا دو جهان را میتوان به هم پیوند داد. اما بررسیهای بیشتر نشان داده اند که چنین هندسه زمختی، نیاز به مقادیر زمختی از ماده شگفت یا به زبان فنی تر: ماده ناقض شرط انرژی میانگین پوچ، را به همراه میاورد.

پیوستگی مولفه های متریک چنان است که گریزی برای رسیدن به یک ساختار خوشرفتار نیست. چنانکه اگر اندازه انرژی کاهش یابد، کاهش شعاع گلوگاه را به بار میدهد؛ یا اندازه فاصله میان دهانه تا گلوگاه را به مقادیر حدی میل میدهد. پس باید رهیافت رقیق سازی هندسه را برگزید. یعنی روی هر مولفه از متریک خام نخستین چنان کار میکنیم که - در دامنه ی توانش - به تمرکززدایی چگالی انرژی در فضازمان پیرامونش کمک کند.

یکی از بهترین گزینه ها رفتن به سوی بی تقارنی در اسکلت متریک است، به هدف آنکه به جز مولفه های قطر تانسور ماده-انرژی (که چهار تا هستند)، هر شانزده مولفه این تانسور باری از ماده شگفت همبسته را به دوش بگیرند و فشار ضریب کلان اندازه انرژی بجای چهار مولفه، در پشت شانزده مولفه پخش شود. پیچیدگی ریاضی چنین رهیافتی بسیار بالاست و بی تردید نیرومندترین راهکار پرداختن به آن، به کار بردن تقریبهای عددی و مانند سازیهای رایانه ای است. بزرگترین گامی که در این راه تاکنون برداشته شده، رفتن از هندسه متقارن-کروی به هندسه متقارن-محوری بوده است.

دیگر گزینه دینامیک سازی هندسه است. یعنی بگذاریم هندسه در زمان جریان بیابد و تمرکز زمخت ماده شگفت "جاری" شود. گرچه در جهان واقعی هم رودخانه زمان همیشه به جلو در پیش میرود.